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发动机原理第二章发动机的换气过程第二章发动机的换气过程•发动机换气过程包括排气过程和进气过程，其任务是排除缸内废气并充入尽可能多的新鲜工质•每循环进入气缸的新鲜工质量愈多，燃烧后才能放出更多的热，从而增大发动机功率和转矩，这是保证发动机动力性能的前提和关键第一节四行程发动机的换气过程•一、换气过程–四行程发动机换气过程包括从排气门开启直到进气门关闭的整个时期，–为了增加气门开启的时间断面，并充分利用气流的流动惯性，减少换气过程中的损失，进排气门一般提前开启，迟后关闭，约占410°～480°曲轴转角。
–一般将换气过程分作自由排气、强制排气、进气和气门叠开四个阶段–1. 自由排气阶段（超临界与亚临界状态）•从排气门打开到气缸压力接近了排气管压力的这个时期称为自由排气阶段•排气门是在活塞到达下止点之前开启，从排气门开始打开到下止点这段曲轴转角，称为排气提前角，一般为30°～80°曲轴转角。
此时缸内废气压力约为0.2～0.5MPa，缸内压力与排气管压力之比往往大于临界值1.9，排气的流动处于超临界状态，废气以当地声速c流过排气门开启截面，当排气温度为700-1100K时，声速可达500-700m／s •排气提前角的选择：不要使自由排气阶段拖得过长，否则会增加强制排气活塞推出功，使排气损失增加。
因此，对于高速机，应加大排气提前角。
•在超临界排气时期，废气流量与排气管内压力无关，只决定于气缸内气体的状态和气门有效开启面积•随废气的大量流出，缸内压力迅速下降，排气流动转入亚临界状态，此时废气流量决定于气缸内和排气管内的压力差。
到某一时刻，气缸内和排气管内的压力接近，则自由排气阶段结束•自由排气约在下止点后10°～30°曲轴转角结束，由于此阶段废气流速很高，故排出废气量达60%以上•当排气门开启，废气涌向排气管时，排气管压力急剧上升，产生正压力波并在管内往复传播和反射–2. 强制排气阶段•此阶段废气是由活塞上行强制推出。
第二章发动机的换气过程燃烧是做功之本。
燃烧需要空气与燃料。
重量比容积比燃料 1 1 液态空气15 1000 气态燃料受机械控制，容易参加。
而汽缸容积就那么大，要想多加空气就要困难得多。
因此，对发动机换气过程的研究就显得尤为重要了。
§2-1 四冲程发动机的换气过程一配气定时与工程热力学中介绍的不同, 进排气门的开启、关闭也需要时间, 故在下止点前排气－排气提前角40︒～80︒在上止点后关闭－排气迟闭角10︒～35︒在上止点前吸气－进气提前角0︒～40︒在下止点后关闭－进气迟闭角40︒～80︒进气提前角+排气迟闭角－气门叠开角二换气过程〔一〕排气过程1 自由排气阶段A排开p >>p’ →p = p’靠缸内压力将气体挤出气缸，其中p－缸内压力, p’－排气管内压力。
2 强制排气阶段Bp = p’ → p ≤p’靠活塞上行将废气挤出气缸。
3 超临界排气C排开→p = 1.9 p’=m/s。
其流量与压差〔p - p’〕在气阀最小截面处, 气体流速等于该地音速a kRT无关, 只决定于排气阀开启面积和气体状态。
4 亚临界排气Dp = 1.9 p’ →排闭。
其流量取决于压差〔p - p’〕。
〔二〕进气过程和气门叠开角-〕使新鲜介质进入缸内。
由于节流作用, 缸内产生负压；〔p p气阀叠开角：非增压：20︒～60︒ CA。
太大〔引起〕→废气回流进气道。
太小→扫气作用不明显。
增压：110︒～140︒ CA。
进气管p↑, 扫气明显, 气阀叠开角可以增大很多。
如6135型高柴：非增压：40︒, 增压：124︒。
扫气的作用：1 去除废气, 增加气缸内的新鲜充量。
2 降低排气温度。
3 降低热负荷最严重处〔如气阀、活塞等〕的温度。
三换气损失理论循环换气功与实际循环换气功之差。
如图：换气损失功－X+〔Y+W〕, 其中〔W+Y〕为排气损失功，X为进气损失功。
〔一〕排气损失功YW是因排气门提前开启而损失的膨胀功,称为自由排气损失。
（以2课时为单元）
课序：09授课日期：09.30授课班次：汽服1201、1202 授课教师：李维 批准人：
课题：第二章 发动机的换气过程 第1节 四冲程发动机的换气过程
第2节 四冲程发动机的充量系数
目的要求：
重点：
难点：
教学方法
手
段：
教学步骤：
复习提问：
作业题目：
预习内容： 无
课时分配：
第二章发动机的换气过程
新课导入
内燃机的换气过程是内燃机排出本循环的已燃气体和为下一循环吸入新鲜充量（空气或可燃混合气）的进排气过程，它是工作循环得以周而复始不断进行的保证。
内燃机的性能很大程度上依赖其换气过程。
为提高动力性和经济性指标，需要研究减少进排气流动阻力损失和提高充量系数的措施及方法，以及如何为燃烧提供一个合适的缸内气体流场，并保证多缸机的各缸均匀性。
在内燃机执行换气过程中，有时为了控制内燃机的NO x有害排放，还需要进行排气再循环（可分为外部EGR和内部EGR）。
内燃机采用增压技术可以提高进气密度，从而提高发动机的功率，并改善经济性和排放。
§2.1 四冲程发动机的换气过程
一、换气过程
四冲程发动机的换气过程是指从排气门开启到进气门关闭的整个过程。
约410°CA ~480°CA.
1、排气过程
按燃气对活塞的作用，排气过程可分为自由排气和强制排气两个阶段；
按排气流动的性质，排气过程又可分为超临界排气和亚临界排气两个阶段。
（1）自由排气阶段
从排气门打开到活塞运行到排气下止点这段曲轴转角内的排气过程称为自由排气阶段。
1）自由排气阶段的特点
①缸内气体一边对活塞做功，一边自动排出缸外；
②缸内压力与排气管压力之比大于临界压力，气体流动处于超临界状态；排起的流量进取决于缸内气体状态和排气门流通面积，而与排气管压力无关。
③时间虽短，但排出的气量较大。
２）排气提前角
从排气门开始打开到活塞运行到排气下止点时曲轴所转过的角度，称为排气提前角。
排气提前角的范围为30°CA～80°CA。
排气提前角过小，膨胀功损失小，但推出功增大；排气提前角过大，推出功减小，但膨胀功损失大；因此存在一个合适的排气提前角使得膨胀损失与推出损失之和最小。
超临界排气阶段中排出的废气量与内燃机的转速无关，因而发动机转速升高时，同样的超临界排气时间对应的曲轴转角将大大增加，为了使气缸压力及时下降，必须适当加大排气提前角，否则将使超临界排气阶段（以曲轴转角计）延长，势必增加活塞强制排气功的消耗。
（２）强制排气阶段
活塞从下止点到上止点的排气过程又称为强制排气过程。
1）强制排气阶段的特点
①活塞上行，缸内平均压力比排气管压力略高，需要消耗发动机的有效功。
②气流速度越高，压力差值越大，好功越多。
2）排气迟闭角
从排气上止点到排气门关闭终了时刻这段曲轴转角称为排气迟闭角。
排气门迟闭角的范围一般为上止点后10~70o CA。
排气门迟闭的原因：
①避免因排气流动截面积过早减小而造成的排气阻力的增加，使活塞强制排气所消耗的推出功与缸内的残余废气量增加；
②可以利用排气管内气体流动的惯性从气缸内抽吸一部分废气，实现过后排气。
2、进气过程
从进气门开启到关闭内燃机吸入新鲜充量的整个过程称为进气过程。
1）进气过程的特点
①活塞下行，缸内平均压力比进气管压力略低，也需要消耗发动机的有效功。
②进气门早开角和迟闭角对进气量影响较大。
2）进气提前角
从进气门开始打开到排气上止点这段曲轴转角称为进气提前角。
进气门提前打开的原因为了保证活塞下行时，进气门有足够大的流通面积，尽孝进气阻力，使新鲜充量顺利进入气缸。
发动机转速升高，进气提前角应加大。
仅
气提前角一般为上止点前0 o CA ~40 o CA。
3）进气迟闭角
从进气下止点到进气门关闭终了这段曲轴转角称为进气迟闭角。
进气门推迟关闭的原因是为了利用在进气过程中形成的气流惯性，实现向气缸的过后充气，增加缸内充量。
这样，有可能使得进气过程终了时，缸内压力等于或略高于进气管压力。
发动机高速运转时进气流速高，惯性大，进气门迟闭角应相应增大一些。
进气门迟闭角一般为20~60o CA。
尽管利用过后充气可以有效地增加进入气缸的空气量，但过大的进气门迟闭角，会使得在低速时发生缸内气流倒流进入进气管的现象，也会影响有效压缩比，从而影响压缩终了温度，使发动机的冷起动困难。
因此，合理的配气定时是十分重要的。
3、气门叠开和燃烧时扫气
（1）气门叠开
由于排气门迟闭和进气门早开而存在的进、排气门同时开启的现象称为气门叠开。
气门叠开所对应的曲轴转角称为气门叠开角。
气门叠开角等于排气迟闭角与进气提前角之和。
（2）气门叠开的影响
在气门叠开期间，进气管、气缸、排气管三者直接相通，此时的气体流动方向就取决于三者间的压力差。
内燃机的型式不同，对气门叠开角大小的要求也有所差异。
1）自然吸气发动机
若气门叠开角过大，会出现部分气体倒流
的现象。
点燃式内燃机，在小负荷易引起进气管回
火。
柴油机中，进气管内压力始终接近大气压
力，因此可以采用较大的气门叠开角，以提高
柴油机在常用转速范围内充量系数。
转速高的发动机宜采用较大的气门叠开
角和气门开启持续期，以提高发动机的充量系
数。
自然吸气式发动机气门叠开角一般在２0 o CA～６０o CA之间。
2）增压发动机
进气压力高，新鲜充量在正向压差的作用下流入气缸进行扫气，一部分还将流出气缸，排入排气管。
增大气门叠开角，有利于扫除缸内的残余废气，增加进入气缸的新鲜充量，可以用新鲜充量降低燃烧室内气缸盖、排气门、活塞顶、缸套的温度以及排气的温度，从而减小了发动机及增压器那些受热严重且冷却困难的关键零部件的热负荷，对提高发动机可靠性有显著的效果。
过大的叠开角易造成气门与活塞运动的干涉，需在活塞上加工避气门坑，从而影响到燃烧室内气体运动的组织以及发动机的压缩比。
此外，过多的扫气还会加重增压器的负担。
增压柴油机气门叠开角一般在80 o CA～140 o CA之间。
二、换气损失
进气损失和排气损失之和为排气损失。
1、排气损失
从排气门打开到进气行程开始循环功的损失称为排气损失。
包括膨胀损失和推出损失
减小排气损失的主要方法：
1）减小排气系统阻力
增加气门数目、优化排气道形状减小排气门处的流动损失；
2）合理选择排气提前角
最佳的排气提前角应使得膨胀损失与推出损失之和（W+Y）最小。
２、进气损失
发动机在进气过程中所造成的循环功的减少称为进气损失。
进气损失明显的小于排气损失。
但进气损失不仅体现在进气过程所消耗的功上，更重要的是它影响发动机的充量系数，对发动机的性能有显著的影响。
减小进气损失的主要方法：
1）合理调整配气正时；
2）加大进气门的流通截面；
3）正确设计进气管及进气的流动路径；
4）适当降低活塞平均速度等。
3、泵气损失
克服仅排气系统阻力而消耗的循环功称为泵气损失。
实际示功图中面积（X+Y-u ）所表示的损失。
§2.2 四冲程发动机的充量系数
一、概念
每循环实际吸入气缸的新鲜充量与以进气管状态充满气缸工作容积的理论充量之比。
充量系数反映了进气过程的完善程度，是衡量发动机性能的重要指标。
充量系数一般可采用台架试验测出发动机实际进气的体积流量q v1（m 3/h ）与理论进气流量q v （m 3/h ）相比而得出：
二、充量系数的分析式
进气状态下（p s ，T s ），每循环充满气缸工作容积的新鲜充量为：
假定进气门关闭时的气缸容积为V a ′，缸内工质状态为p a 、T a ，则缸内气体总质量为：
进气终了时，气缸内气体总质量包括新鲜充量m 1和残余废气量m r ， 引入残余废气系数：
s
1
s 1s V V V V m m ===s s h 1c ρρφin V q in V q q q s v1s v1v v1c 31001000
260=⨯==φs
s s
s sh T R V p m =a
a a a a '
T R V p m =
1
r
r m m =φr
1a m +=m m
由于新鲜充量气体常数与进气终了缸内气体常数接近，则则充量系数可表示为：
令 则有： 三、影响充量系数的因素
1、进气终了压力p a p a ↑→фc ↑
2、进气终了温度T a T a ↑→фc ↓
3、压缩比εc εc ↑→фc ↑
4、残余废气系数фr фr ↑→фc ↓
5、配气定时 ξ∙p a ↑→фc ↑
6、大气（大气）状态 p s ↓和T s ↑→虽然фc ↑；但使得实际进入气缸的充量密度下降，实际进气量减少。
小结
1、四冲程发动机的换气过程 自由排气、强制排气、进气、气门叠开
2、充量系数、影响充量系数的因素
作业
Pg35：1、2、3 a
a 'V V =ξr a a s s c c
c 11
1φεεξφ+-=T p p T r
a a s s s a sh 1c 11'φφ+==
T p p T V V m m。
